一种多功能LED模组设计方案及其应用
段俞廷
【關键词】散热能力;气密性;便利
【中图分类号】TN873 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0032-04
0 引言
随着社会的发展，LED灯具逐渐登上历史舞台，但从业者众多，生产的成品质量参差不齐。在成本的限制下，生产出质量较差的产品或者为了保证质量耗费不必要的成本，两者都不是理想的状态。本设计方案将介绍一种多功能的LED模组，包括高光效、具备良好的散热能力、支持气密性检测并能保护线缆，在降低成本的同时性能也得到提升。
1 背景概述
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有光效高、体积小、光谱窄、开关时间长等优点[1]。与其他传统白炽灯、荧光灯、卤素灯、高压钠灯、金属卤化物灯等光源相比，具有较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保及不断快速提高的发光效率等突出优势，因此LED光源从发现到壮大经历不过几十年就几乎取代了传统光源。
LED灯具作为LED光源的载体，如今广泛应用在城市功能照明及城市夜景照明上，其需求量大。这一情况促使LED灯具生产厂家如雨后春笋般层出不穷，导致在市场竞争异常激烈的同时，灯具生产质量参差不齐。
LED灯具通常由散热器、光源组件及线缆、安装件、外壳等部分组成。散热、防护等级、外力破坏是影响LED灯具寿命的三大因素，优化LED散热器散热效果、提高灯具防护等级、加强灯具抗外力破坏能力等措施均能延长LED的使用寿命。数据显示：LED电光转化率仅为20%，有80%的能量将转化为热能。若热量未能及时传递出去，LED的结温将升高，进而对光效、寿命及波长产生影响[2]。除了LED芯片，LED灯具散热器接触导热良好与否是确保LED灯具稳定照明的关键因素，因此充分考虑LED散热器的制作、结构、安装等工作是必要的。LED散热器的主要工作是散热与防护[3]。
为提高LED灯具的使用寿命，一般采取以下方法：①为加强散热效果，需要增大散热器表面积或者加快热传导，通常是增大散热鳍片（或者其他形状的散热结构）的表面积（例如增加散热鳍片外形上的波纹形状），或者加装热管。②为保证防护等级，多模组的LED灯具，模组与模组之间的电气连接使用一拖多的电子链接器，灯具电气部分整体灌胶密封防水。③为防止外物破坏线缆（如啮齿类动物啃咬），需要增加线缆保护装置，例如采用金属质地的保护外壳。④无法做气密性检查时，则需要灯具电气部分整体灌胶密封防水（与第2点同原理）。上述4种方法单独或组合使用的情况大量存在。不但增加了材料种类、灯具整体重量，也使得装配工序更为烦琐、费时耗力，最直接的后果就是成本大幅增加，削弱了市场竞争力。因此，解决影响LED灯具使用寿命三大因素的同时避免成本大幅度增加，一直是LED灯具设计师长期研究的课题。
2 设计方案内容
2.1 设计方案概述
本设计方案的目的是提供一种多功能LED模组，包括高光效、具备良好的散热能力、支持气密性检测并能保护线缆。此模组兼容性好，可以与路灯外壳、投光灯外壳、隧道灯外壳等组合做成不同种类的灯具。要解决的技术问题如下：现有LED模组散热不好、容易死灯，光效低;气密性不佳，容易渗漏进水损坏;电缆容易被晒老化及被外物、外力破坏;需要单独设计结构件隐藏、保护线缆。
一种多功能LED模组包括散热器、配光透镜、透镜胶圈、透镜压板、光源组件、防水穿线接头、防水透气阀、标准电子连接器等。所述光源组件通过螺钉固定在散热器上;所述配光透镜和透镜压板通过螺钉固定于散热器上，配光透镜胶圈安装槽内需要事先压入透镜胶圈，上述材料与散热器形成的腔体将光源组件包裹在内;所述标准电子连接器穿过防水穿线接头，防水穿线接头通过本身的螺纹固定于散热器侧面对应螺纹孔中;所述防水透气阀通过本身的螺纹固定于散热器侧面对应的螺纹孔中。
2.1.1 具备良好的散热能力，通过使用结构设计恰到好处的散热器、合理的材料及装配工艺达成
如图1所示，散热器（以此方案使用型材为例）采用铝挤压成型工艺成型，使用材料通常为铝合金6063-T5，该材料主要合金元素为镁与硅，具有加工性能佳、挤出性能优良等特点，以及良好的抗腐蚀性，能在户外长时间使用。铝合金重量轻，强度和导热系数高。
该散热器底面平整，用以装配光源组件。底面厚度为4 mm，散热鳍片根部宽度为2 mm，能快速将热量传导至散热鳍片的开放端;散热鳍片高度为45 mm，外端间隔为7.5 mm，分布较为分散，有利于流通空气通过底座散热鳍片时将热量带走。保护光源组件承受长时间的热量聚集;除了光源组件安装面，散热器整体采用阳极氧化表面处理工艺，能阻止铝型材的氧化。同时，采用喷砂表面处理工艺，进一步增大散热表面积，以利灯具散热，延长灯具使用寿命;如图2所示，多模组的情况可以在散热器底面两模之间中间部位开长210 mm、宽10 mm、深8.5mm的长槽，露出下方散热鳍片，形成蜂窝状结构，加强气体流通，避免热岛效应影响散热效果。
如图1所示，散热器底面预留光源组件安装孔位的局部突起≥8 mm，可以安装6 mm长度以内的螺钉，光源组件常用M3螺钉（螺距P为0.5 mm）与散热器装配在一起，除去光源组件及其余零件厚度，至少留有8牙，可以起到连接紧固的作用，装配更为可靠;局部凸起的位置不受限制，可以兼容不同型号的配光透镜。
2.1.2 支持气密性检测并同时具备保护线缆功能，通过使用合理结构的散热器和合理的装配工艺达成
常规情况下，路灯、投光灯、隧道灯安装时根据设计需要，存在不同程度的仰角，这决定了灯内的模组必定有一侧会高于另一侧。如图1所示，靠近散热器底部两端各设有一个φ10.5 mm的圆孔，加工成M12×1.5的螺纹，位于低侧的两孔分别配装M12金属防水穿线接头和M12铝合金防水透气阀，位于高侧的两孔装配M12带胶圈的不锈钢螺钉（喉塞则配套厌氧胶使用）;金属防水穿线接头与防水透气阀固定于模组低侧，即便损坏失效，雨水也不会灌入模组内部，提高了安全性;在多模组的情况下，两模组之间的光源组件采用串联方式连接，其线缆（多股线）穿过前述φ10.5 mm的穿线孔就可以隐藏在模组型材中，完全不外露，不用再单独设计线缆隐藏结构且可以不再使用一拖多的电子链接器，节约材料成本的同时又减缓了线材老化及避免了外力破坏。
2.1.3 高光效，通過选用质量优良的灯珠、选配合适的构配件及合理的装配工艺达成
光源组件指包含贴好灯珠的电路板和配光透镜等。其中，电路板材料推荐使用导热系数高的铝基板;贴片灯珠大引脚，与铝基板接触面积大，导热比直插灯珠快;光源组件与散热器之间通常采用导热硅脂或导热硅胶片，能抵消微观上两者表面的不平整，使两者接触更加紧密，增强热传导，改善散热效果。
贴片灯珠排布紧凑，发光面大，出光均匀，光效高、可耐受温度高，产品较直插式灯珠稳定、寿命长;使用的配光透镜，光源腔内含有专门的透镜硅胶，能够更多地捕获LED灯珠发出的光，减少光线在光源腔内的折射，减小损耗，能够在提高光效的同时进一步保护LED灯珠（例如运输过程中的震动，硅胶可以起到缓冲作用;硅胶替代了原有光源腔内的空气，空气的导热率很低，提高了热传导的效率，使灯珠处于高温的时间减少），配光透镜通过专业配光开模，其配光曲线更适合相应场景的应用。
配光透镜一般采用PC或者PMMA材料，质地不论是相较于6063铝合金的底座还是304不锈钢的螺钉，硬度欠佳。可以通过增加透镜压板，使透镜周边螺钉孔受力更均匀，不会造成安装后螺钉口周围的局部变形塌陷，配光透镜内的透镜防水圈变形均匀，从而提高产品气密性。
2.1.4 该模组设计的其他优点
（1）该模组的设计符合CSA016-2015标准（即国家半导体照明工程研发及产业联盟标准LED照明应用与接口要求），这说明在绝大部分的灯具外壳上，该模组都可以直接安装，不需要增加构配件，节约成本，通用性高。
（2）该散热器型材剖面为对称设计，生产过程中，挤压机出力均匀，能够可靠地提高产品的合格率，降低生产成本。
（3）该模组零部件连接均采用螺钉，使用电批或者套筒等简单的工具即可以完成全部的组合安装工作，结构简单，便于进行组装，具有较好的便利性。
2.2 附图说明
图1为本设计方案LED模组（以二模为例）的散热器剖面图;图2为本设计方案LED模组（以二模为例）的主视、左视图;图3为本设计方案LED模组（以二模为例）的爆炸图;图4为本设计方案LED模组透镜压板的主视图;图5为本设计方案LED模组散热器的主视图和俯视图;图6为本设计方案LED模组光源组件的主视图;图7为本设计方案LED模组配光透镜的主视图、后视图和A-A剖面图。
图中各标号所代表的部件列表如下。1不锈钢螺钉M3×8;2透镜压板：201φ3.5 mm通孔;3配光透镜：301定位柱，302光源腔体（含硅胶），303 φ3.2 mm通孔，304线腔体，305防水胶圈槽;4透镜防水圈;5不锈钢螺钉M3×5;6光源组件：601贴片灯珠，602φ3.5 mm通孔，603φ3 mm通孔，604φ7.5 mm通孔，605φ7.5 mm通孔;7散热器：701-704模组侧面孔攻牙M12×1.5的4个螺纹孔，705模组侧面孔在模组上表面打通的腰孔，706模组侧面孔在模组上表面打通的圆孔，707螺纹孔M3（可以攻穿），708螺纹孔M3（不可攻穿），709 φ2.5 mm定位孔;8硅胶垫圈;9不锈钢螺钉M12×16（此图为螺钉，也可以选用喉塞）;10多股线（L，N两相）;11金属防水透气阀;12标准电子连接器;13金属防水穿线接头。
2.3 具体实施方式
以下结合附图对本设计方案的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本设计方案，并非用于限定本设计方案的范围。组装过程如下。
（1）将一个9螺钉不锈钢螺钉M12×16穿入一个8硅胶垫圈，数量为2个，安装于7散热器701、702螺纹端口;将11金属防水透气阀（经过试水合格后）安装于7散热器704螺纹端口;将13金属防水穿线接头安装于7散热器703螺纹端口;将10多股线从7散热器705腰孔一头穿入，另一头穿出;将12标准电子连接器穿入13金属防水穿线接头并拧紧，其中一条线从7散热器705腰孔一头穿出，另一条线从7散热器705腰孔另一头穿出。
（2）将6光源组件放在7散热器上，10多股线与12标准电子连接器的线穿过6光源组件605通孔4，用5螺钉2穿过602通孔1将其紧固，用量8;将上一步穿好的10多股线与12标准电子连接器的线找好6光源组件上对应的焊盘位置焊接好。
（3）将4透镜防水圈按入3组合透镜305防水胶圈槽之后，将3配光透镜翻转过来，301定位柱对准603及709，将2透镜压板201通孔与303通孔，707螺纹孔对齐，用1螺钉将三者紧固，此时304光源腔体内的硅胶包裹住601贴片灯珠，10多股线及12标准电子连接器的出线部分及焊点在304线腔体内。
模組在组装完成后需要进行检测：①准备功率计、智能电量测试仪等。将标准电子连接器的端头与可调电源连接，通电观察灯珠的暗亮情况，确认模组电气方面是否合格。②准备空压机、气枪、气管、减压阀、气门芯等，接通气枪、气管、减压阀。将减压阀气压调至0.15 MPa，拧下M12铝合金防水透气阀，气门芯安装于散热器上M12×1.5的螺纹孔，接通气枪、气管、减压阀，将减压阀气压调好，随时观察并保持气压，观察是否有以下不良现象：模组内无法注入气压，原因为模组进气孔堵塞或气门芯坏;模组注入气压后从配光透镜四周漏气，原因为没有安装透镜防水圈;模组注入气压后放入水箱中配光透镜侧面冒泡，原因为安装透镜螺钉没有紧固到位或透镜防水圈安装不到位;模组注入气压后放入水箱中，若金属防水穿线接头处冒泡，原因为金属防水穿线接头安装时硅胶垫圈变形量过大或过小。
通过上述检测步骤，这款产品在生产过程中就可以检查模组的气密性状态和电气状态，杜绝不良产品安装到工程现场，降低了维修率，大大增加了产品的使用寿命和可靠性。
3 结语
本文主要结合一种多功能LED模组，包括高光效、具备良好的散热能力、支持气密性检测并能保护线缆。结合生产线组装、工程应用安装时工程人员提出的一些问题进行案例分析，从中总结LED模组设计经验，并提供一款解决问题的LED模组整体结构设计方案，为新产品及其他LED灯具寿命短、散热差、组装麻烦、工程应用安装烦琐等问题的解决提供了思路和参考。
参 考 文 献
[1]刘木清.LED及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2013.
[2]刘木清.LED及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2013.
[3]张甫江.浅谈大功率LED灯具的散热结构设计[J].科技创新导报，2014（30）：36.
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